一种双余度永磁同步起动/发电系统的制作方法

1.本发明涉及发动机起动/发电系统技术领域，特别涉及一种双余度永磁同步起动/发电系统。


背景技术：

2.航空发动机起动/发电系统(sgs)，是飞机等航空器初始动力与电源系统的核心。航空器初始动力指的是航空器燃料发动机起动过程，是把电能转化为发动机旋转动能，并使发动机形成可控运行条件的过程。飞机的电源系统是将航空发动机的机械能转化为电能，供飞机的机电系统、电子系统使用。
3.目前我国飞机的一体化起动/发电系统，大多采用的三级式起动/发电机，是由三级式无刷发电机的基础上进行改造，使其具有起动能力，能够顺利起动航空发动机。三级式起动/发电机的励磁系统由励磁机与整流器组成，由于航空发动机在起动阶段转速低，在发电阶段时转速高，因此采用励磁方式的整体激磁是无法满足航空所需的高效率、高可靠性要求的，并且体积和重量较大、系统复杂。


技术实现要素：

4.本发明提出的一种手持式数据采集装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种双余度永磁同步起动/发电系统，包括双余度永磁同步起动/发电机以及安装与其机体的控制器，所述双余度永磁同步起动/发电机连接涡轮发动机，且所述双余度永磁同步起动/发电机与双余度永磁同步起动/发电控制器电性连接，所述控制器包括二套功率逆变模块、功率器件和主控板，所述主控板包括两套核心处理器(cpu)，两套用于驱动逆变功率器件和固态开关的驱动信号模块，两套用于传感器的传感信号处理模块，以及板内数据联通的内部总线及通讯模块和电源切换/保护模块，所述控制器与地面台电源电性连接，且所述控制器通过机载动力母线外接动力电池和机载负载，所述通讯模块外接飞控通讯和地台通讯等外部通讯，所述传感信号处理模块的监测包括起动/发电机电压、电流、温度，机载动力母线电压、电流，电源切换/保护模块用于监测地台辅助动力电压、电流；控制器内两套所述核心处理器、驱动信号模块、信号处理模块、通讯模块等模块之间通过内部总线进行数据连接，所述通讯模块与外部通讯建立数据连接。
7.作为本发明的进一步方案，所述功率器件包括但不限于igbt、mosfef、mct、igct、sic；k1、k2、k3、k4为固态双向直流断路器，k5、k6为接触器；siv1、siv2为两组电驱的电压、电流传感器；siv3、siv4为两组逆变模块直流端的电压、电流传感器；siv5为k1、k2输出并联端电压、电流传感器；siv6为地面台电源电压、电流传感器；siv7为机载内部电源电压、电流传感器；t1、t2为电驱绕组温度传感器。
8.作为本发明的进一步方案，所述起动/发电机的转速与转子位置感知采用无位置传感器的方式，其方法包括但不限于滑模观测器(smo)、扩展卡尔曼滤波器(ekf)、自适应全
阶观测器。
9.作为本发明的进一步方案，所述起动的控制流程如下：
10.启动发动机准备，开启起动/发电系统，固态断路器k3、k4断开，接触器k5、k6断开，地面电源插头插入，地面台外部通讯接入，起动/发电系统检测输入电源的电压参数值(传感器siv6)，电压参数正常；
11.地面台发出起动指令，起动/发电系统执行起动指令，接触器k5接通然后固态断路器k3接通，系统通过传感器siv5检测接通后电源电压、电流参数，参数正常则固态断路器k1、k2接通，为逆变模块q1、q2供电；
12.主控板根据传感器siv3、siv4以及绕组端传感器siv1、siv2的电压、电流信号，经过运算后按照设定程序同步向两个电机的逆变模块发出svpwm触发信号，电机带动发动机逐步旋转提速；
13.当发动机达到预设的起动转速阈值时，发动机起动完成，svpwm触发信号停止，所有逆变模块的功率器件均为开路，相应的固态断路器、接触器按照次序断开，1-k1、k2，2-k3，3-k5，发动机起动结束。
14.作为本发明的进一步方案，每一组电机与其对应的逆变模块(全控整流桥)组成完整一套发电系统；发电的功率，根据负载需求通过控制单一绕组发电或两个绕组同时发电，每套发电系统在发动机最高转速时所发电能为整机用电额定功率。
15.作为本发明的进一步方案，所述发电流程如下：检测发电初始的发动机转速(传感器siv1、siv2)、绕组端空载电压(传感器siv1、siv2)、绕组温度(传感器t1、t2)、负载电流、电压(传感器siv7)的状态参数；
16.参数正常，根据获取数据进行运算并发出控制信号，逆变模块(全控整流桥)运行，固态断路器k1或k2或k1 and k2接通，系统读取传感器siv5的参数；
17.数据正常，接通接触器k6，然后再接通固态断路器k4，系统读取发动机转速(传感器siv1、siv2)、绕组端电压、电流(传感器siv1、siv2)、负载电流、电压(传感器siv7)的动态参数，根据获取数据进行运算，并发出逆变模块(全控整流桥)的pwm控制信号，实时调整发电的电压、功率。
18.作为本发明的进一步方案，两组电驱绕组与两组永磁转子和对应的逆变模块，组成两个相对独立的起动/发电机，当一个起动/发电机故障时，可以用一个来维持基本的用电负荷。
19.作为本发明的进一步方案，主控板的器件的两套核心处理器(cpu)，两套逆变模块信号模块、两套传感器信号处理的模块，采用主从方式工作，相关的控制数据和采集数据均分别存储在两个cpu上，两个cpu同时进行运算处理，正常情况下主cpu和主模块负责程序执行，同时系统采用定期自检，当主系统出现错误时或故障时，从系统即刻接管控制。
20.作为本发明的进一步方案，还包括过压保护：当传感器siv1、siv2检测到绕组端电压超阈值时，相对应的逆变器停止工作，电压恢复后开始工作；当传感器siv3、siv4检测到逆变模块输出端电压超阈值时，对应的固态断路器k1、k2停止工作，电压恢复后开始工作；当传感器siv5检测到汇流端电压超阈值时，对应的固态断路器k4停止工作，电压恢复后开始工作。
21.作为本发明的进一步方案，还包括过流保护：当传感器siv7检测到负载端电流超
阈值时，对应的固态断路器k4停止工作，电流恢复后开始工作。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
23.本发明实施例提供了一种双余度永磁同步起动/发电系统，解决传统励磁起动发电机的输出转矩不高、功率密度不足、效率低的问题，在实践中实现大于97％的效率，功率重量比大于5kw/kg；本发明的控制器由两套核心控制器、逆变器、信号模块、驱动模块组成双余度控制器；本发明的逆变器，可以把直流电源逆变为可变频交流电驱动起动电机，并且可以把交流发电机的交流电全控整流为直流电，具备双向逆变功能，两套发电系统可以根据负载状态同时发电或单独发电，当某一发电装置故障时启用另一套发电装置，根据发动机转速与负载状态实时调整稳定的输出电压，具有过压、过流、反流、反极性保护。
附图说明
24.图1为本发明的系统框架示意图；
25.图2为本发明的系统基本电路图。
具体实施方式
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
27.在本发明的描述中，需要理解的是，如有术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
28.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，如有术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的技术人员而言，可以根据情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.参照图1-2所示，本发明实施例提供了一种双余度永磁同步起动/发电系统，包括双余度永磁同步起动/发电机以及安装与其机体的控制器，所述双余度永磁同步起动/发电机连接涡轮发动机，且所述双余度永磁同步起动/发电机与双余度永磁同步起动/发电控制器电性连接，所述控制器包括二套功率逆变模块、功率器件和主控板，所述主控板包括两套核心处理器(cpu)，两套用于驱动逆变功率器件和固态开关的驱动信号模块，两套用于传感器的传感信号处理模块，以及板内数据联通的内部总线及通讯模块和电源切换/保护模块，所述控制器与地面台电源电性连接，且所述控制器通过机载动力母线外接动力电池和机载负载，所述通讯模块外接飞控通讯和地台通讯等外部通讯，所述传感信号处理模块的监测包括起动/发电机电压、电流、温度，机载动力母线电压、电流，电源切换/保护模块用于监测地台辅助动力电压、电流；控制器内两套所述核心处理器、驱动信号模块、信号处理模块、通讯模块等模块之间通过内部总线进行数据连接，所述通讯模块与外部通讯建立数据连接。
30.如图2所示，所述功率器件包括但不限于igbt、mosfef、mct、igct、sic；k1、k2、k3、k4为固态双向直流断路器，k5、k6为接触器；siv1、siv2为两组电驱的电压、电流传感器；siv3、siv4为两组逆变模块直流端的电压、电流传感器；siv5为k1、k2输出并联端电压、电流传感器；siv6为地面台电源电压、电流传感器；siv7为机载内部电源电压、电流传感器；t1、t2为电驱绕组温度传感器。
31.所述起动/发电机的转速与转子位置感知采用无位置传感器的方式，其方法包括但不限于滑模观测器(smo)、扩展卡尔曼滤波器(ekf)、自适应全阶观测器。
32.所述起动的控制流程如下：
33.启动发动机准备
→
开启起动/发电系统
→
固态断路器k3、k4断开，接触器k5、k6断开
→
地面电源插头插入
→
地面台外部通讯接入
→
起动/发电系统检测输入电源的电压参数值(传感器siv6)
→
电压参数正常
→
地面台发出起动指令
→
起动/发电系统执行起动指令，接触器k5接通然后固态断路器k3接通
→
系统通过传感器siv5检测接通后电源电压、电流参数，参数正常则固态断路器k1、k2接通，为逆变模块q1、q2供电
→
主控板根据传感器siv3、siv4以及绕组端传感器siv1、siv2的电压、电流信号，经过运算后按照设定程序同步向两个电机的逆变模块发出svpwm触发信号
→
电机带动发动机逐步旋转提速
→
当发动机达到预设的起动转速阈值时
→
发动机起动完成
→
svpwm触发信号停止，所有逆变模块的功率器件均为开路
→
相应的固态断路器、接触器按照次序断开，1-k1、k2，2-k3,3-k5
→
发动机起动结束。
34.发电控制说明：
35.每一组电机与其对应的逆变模块(全控整流桥)组成完整一套发电系统；
36.发电的功率，根据负载需求通过控制单一绕组发电或两个绕组同时发电，每套发电系统在发动机最高转速时所发电能为整机用电额定功率；
37.电压的控制是系统根据负载电流、电压，发动机转速，电机绕组端电压、电流经过运算后，通过调控逆变模块(全控整流桥)驱动pwm占空比的方法来实现；
38.所述发电流程如下：检测发电初始的发动机转速(传感器siv1、siv2)、绕组端空载电压(传感器siv1、siv2)、绕组温度(传感器t1、t2)、负载电流、电压(传感器siv7)的状态参数
→
参数正常
→
根据获取数据进行运算并发出控制信号
→
逆变模块(全控整流桥)运行
→
固态断路器k1或k2或k1 and k2接通
→
系统读取传感器siv5的参数，数据正常
→
接通接触器k6，然后再接通固态断路器k4
→
系统读取发动机转速(传感器siv1、siv2)、绕组端电压、电流(传感器siv1、siv2)、负载电流、电压(传感器siv7)的动态参数
→
根据获取数据进行运算,并发出逆变模块(全控整流桥)的pwm控制信号,实时调整发电的电压、功率。
39.双余度控制说明：
40.两组电驱绕组与两组永磁转子和对应的逆变模块，组成两个相对独立的起动/发电机，当一个起动/发电机故障时，可以用一个来维持基本的用电负荷；
41.主控板的器件的两套核心处理器(cpu)，两套逆变模块信号模块、两套传感器信号处理的模块，采用主从方式工作，相关的控制数据和采集数据均分别存储在两个cpu上，两个cpu同时进行运算处理，正常情况下主cpu和主模块负责程序执行，同时系统采用定期自检，当主系统出现错误时或故障时，从系统即刻接管控制。
42.保护控制：
43.过压保护：当传感器siv1、siv2检测到绕组端电压超阈值时，相对应的逆变器停止工作，电压恢复后开始工作；当传感器siv3、siv4检测到逆变模块输出端电压超阈值时，对应的固态断路器k1、k2停止工作，电压恢复后开始工作；当传感器siv5检测到汇流端电压超阈值时，对应的固态断路器k4停止工作，电压恢复后开始工作；
44.过流保护：当传感器siv7检测到负载端电流超阈值时，对应的固态断路器k4停止工作，电流恢复后开始工作。
45.综上所述，永磁同步电机发电与电动运行时可使用同一套逆变器，简化了起动发电系统，永磁同步电机具有输出转矩高、功率密度高、效率高等优点，在航空、电动汽车、船舶等各工业领域得到了广泛应用；
46.本发明分别由两套核心控制器、两套逆变模块、两套信号处理模块、两套驱动信号模块组成的双余度控制器；具备双向逆变功能；两套发电系统可以根据负载状态同时发电或单独发电；当某一发电装置故障时启用另一套发电装置；根据发动机转速与负载状态实时调整稳定的输出电压；具有过压、过流、反流、反极性保护。
47.以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。